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Keywords
- Antisense-Transkription (1)
- Bicyclomycin (1)
- Proteom (1)
- SaeRS (1)
- Staphylococcus aureus (1)
- Transkriptionstermination (1)
- Zweikomponentensystem (1)
Staphylococcus aureus ist ein Gram-positives pathogenes Bakterium, welches bei ca. 30 % der gesunden Bevölkerung zur kommensalen Flora der Nasenschleimhaut gehört. Jedoch zĂ€hlt S. aureus auch zu den hĂ€ufigsten Erregern bakterieller Infektionen beim Menschen. Aus diesem Grund wurden S. aureus-StĂ€mme in zahlreichen Studien untersucht, um die Pathophysiologie und Virulenz der Bakterien sowie die zugrundeliegenden Regulationsmechanismen zu verstehen. Die Expression von Virulenzfaktoren wird direkt oder indirekt durch verschiedene Regulatoren beeinflusst. Zu diesen zĂ€hlen beispielsweise das Quorum-Sensing-System Agr, der alternative Sigma-Faktor SigB und das Zweikomponentensystem SaeRS. Bei der Regulation der Genexpression spielt neben Mechanismen, die die Transkriptionsinitiation beeinflussen, auch die Transkriptions-termination eine Rolle. Bei Bakterien unterscheidet man zwischen der Rho-unabhĂ€ngigen und der Rho-abhĂ€ngigen Transkriptionstermination. In bisherigen Studien wurde die Rolle des Transkriptionsterminationsfaktors Rho in Escherichia coli, Bacillus subtilis und Mycobacterium tuberculosis untersucht. Hierzu zĂ€hlt unter anderem das Silencing von horizontal erworbenen Genen, die Verhinderung von DNA-DoppelstrangbrĂŒchen und die UnterdrĂŒckung der persistierenden Antisense-Transkripten. Besonders die erhöhte Antisense-Transkription konnte auch in einer Tiling Array-Studie des S. aureus Wildtypstammes HG001 und einer isogenen Îrho-Mutante ST1258 festgestellt werden. In dieser Transkriptom-Analyse wurden die S. aureus-StĂ€mme in RPMI- und TSB-Medium in der exponentiellen und stationĂ€ren Wachstumsphase untersucht. Es konnten insgesamt 416 chromosomale Regionen identifiziert werden, deren Transkriptmenge in einer der vier Bedingungen in der Îrho-Mutante im Vergleich zum Wildtyp wenigstens 4-fach erhöht waren. Von diesen Regionen lieĂen sich nur 11 % annotierten Genen zuordnen, wĂ€hrend eine massive Erhöhung der Menge solcher Transkripte festgestellt wurde, die vom Gegenstrang kodierender Gene stammen.
Ausgehend von diesen Befunden wurde in dieser Studie das zellulĂ€re und extrazellulĂ€re Proteom des S. aureus Wildtyps HG001 und der Îrho-Mutante ST1258 verglichen, um die Auswirkungen der Abwesenheit von Rho auf das Proteom zu untersuchen. Dabei lag die Mehrheit der relativ quantifizierten Proteine in erhöhten Mengen in der Îrho-Mutante im Vergleich zum Wildtyp vor. Viele dieser Proteine konnten dem SaeRS-Zweikomponentensystem von S. aureus zugeordnet werden. In der Proteomanalyse konnten 34 von 39 Proteinen, die durch SaeR reguliert werden, quantifiziert werden. Von diesen wiesen 29 erhöhte Proteinmengen in der Îrho-Mutante auf. Durch das Sae-System werden Gene reguliert, von denen die meisten fĂŒr Virulenzfaktoren, wie AdhĂ€sine, Toxine und immune evasion-Proteine, kodieren. Die Daten der Proteomanalyse zeigen, dass in S. aureus-Zellen, denen die AktivitĂ€t von Rho fehlt, das Sae-System aktiviert wird und dadurch die Induktion des SaeR-Regulons zu beobachten ist.
Die Relevanz dieser Ergebnisse wurde durch ein in vivo-Infektionsexperiment untersucht. In einem BakteriĂ€mie-Modell fĂŒhrte die Inaktivierung von Rho zu einer signifikant erhöhten Virulenz von S. aureus, welche sich in einer signifikant reduzierten Ăberlebensrate der MĂ€use Ă€uĂerte. Zwischen dem Wildtyp und dem Komplementationsstamm konnte kein signifikanter Unterschied in der Ăberlebensrate der infizierten MĂ€use gezeigt werden.
Es ist bekannt, dass SaeRS-abhĂ€ngige Virulenzfaktoren auch fĂŒr die Invasion in Epithel- und Endothelzellen entscheidend sind. Anhand der Zahl der internalisierten S. aureus-Bakterien nach Infektion von humanen Lungenepithelzellen konnten in dieser Arbeit keine Unterschiede zwischen dem Wildtyp HG001 und ârho-Mutante ST1258 im zeitlichen Verlauf festgestellt werden. Dabei konnten weder Unterschiede im Ăberleben in 16HBE14o- Zellen noch in der Internalisierungsrate in A549-Zellen zwischen den beiden StĂ€mmen gezeigt werden.
Das Antibiotikum Bicyclomycin ist ein spezifischer Inhibitor des Transkriptionsterminationsfaktors Rho und wird in Studien zur Rho-abhĂ€ngigen Transkriptionstermination in Gram-negativen Bakterien eingesetzt, da in diesen Rho ein essentielles Protein ist. In Transkriptom- und Proteomanalysen konnten vergleichbare Effekte durch die Behandlung des Wildtyps mit Bicyclomycin wie in der ârho-Mutante hervorgerufen werden. Die Antisense-Transkription und die Expression SaeRS-abhĂ€ngigen Gene waren im Wildtyp nach Gabe von Bicyclomycin deutlich erhöht. Es konnte gezeigt werden, dass die Aktivierung des Sae-Systems unter Rho-defizienten Bedingungen direkt mit der TranskriptionsterminationsaktivitĂ€t von Rho verbunden ist und eine neue Verbindung zwischen antibiotischer Wirkung und schĂ€dlicher Virulenzgenexpression in S. aureus herstellt werden konnte. In anderen Studien konnten Effekte von Antibiotika auf die Expression von Virulenzfaktoren in S. aureus gezeigt werden, jedoch wurden in diesen Studien die Effekte von Anti-Staphylokokken-Wirkstoffen untersucht. Im Gegensatz dazu ist im Fall von Bicyclomycin ein Antibiotikum verwendet worden, das gegen Gram-negative Bakterien wirksam ist und dennoch die Expression von Virulenzfaktoren in S. aureus beeinflusst. Diese Untersuchungen haben damit auch klinische Relevanz, nicht nur fĂŒr Patienten, die an gemischten Infektionen mit verschiedenen Bakterienarten leiden, sondern auch fĂŒr Patienten mit einer Gram-negativen bakteriellen Infektion, die jedoch TrĂ€ger von S. aureus sind.